Il modello utilizzato `e il TIN based Real Time Integrated Basin Simulator, tRIBS (Ivanov et al., 2004a,b) messo appunto dal Ralph M. Parsons Laboratory, Massachusetts Institute of Technology. Si tratta di un modello idrologico a parametri distribuiti (DHM, Distributed Hydrological Model ) ”completo” dal punto di vista idrologico, pertanto capace di rappresentare in continuo i differenti processi idrologici di bacino.
Il modello rappresenta la topografia del terreno attraverso una maglia triangolare, TIN (Trian- gular Irregular Network ), che diventa anche la base computazionale, consentendo una riduzione notevole del numero di nodi rispetto ai modelli basati su GRID, e di conseguenza una riduzione notevole del tempo di esecuzione e delle risorse impegnate dalla CPU2 (punto critico per tutti i DHM). In effetti con un TIN la topografia pu`o essere rappresentata con una maglia multi- risoluzione, in cui i nodi sono pi`u vicini laddove la topografia `e complessa e pi`u lontani nelle aree piane e omogenee. Gli elementi alla base della maglia computazionale sono i Voronoi, che con- sentono di riprodurre correttamente gli elementi lineari come il reticolo idrografico e gli ostacoli bidimensionali (figura6.1).
Secondo l’approccio diIvanov et al.(2004b) le equazioni di base sono risolte alle differenze finite su un volume di controllo corrispondente a ciascun voronoi, considerando le dinamiche locali e gli scambi di massa in modo tale da riprodurre la risposta idrologica spaziale dell’intero bacino. In ciascun elemento, il modello simula esplicitamente i differenti processi del ciclo idrologico (figura 6.2):
• L’intercezione della copertura vegetale `e calcolata seguendo il modello di bilancio diRutter et al.(1971–1972,1975);
2Il modello pu`o peraltro essere utilizzato sia in modalit`a seriale che in modalit`a parallela, consentendo di sfruttare
Figura 6.1: Rete computazionale di calcolo: a sinistra i poligoni di Voronoi, a destra una rappresentazione del terreno eseguita con maglia TIN.
• Il bilancio della radiazione e dell’energia superficiale `e calcolata attraverso un approccio combinato: equazione di Penman-Monteith(Monteith et al., 1965, Penman, 1948), metodo del gradiente, modello force-restore diHu and Islam (1995),Lin (1980);
• L’evapotraspirazione `e stimata attraverso 3 componenti (Wigmosta et al., 1994): evap- otraspirazione dalla copertura vegetale umida, traspirazione della vegetazione ed evapo- razione dal suolo nudo (Deardorff,1978);
• Il processo di infiltrazione `e basato sull’ipotesi che in un suolo eterogeneo e anisotropo il flusso `e dominato dalla gravit`a (Cabral et al.,1992). I differenti livelli di saturazione nella colonna di suolo seguono l’evoluzione dei fronti di umidit`a nella zona non satura (Morel- Seytoux and Khanji, 1974, Neuman, 1976), in accoppiamento con le profondit`a variabili della tavola d’acqua nella zona satura. Il flusso laterale nella zona insatura e nella falda sono veicolati dalla topografia e dal suolo durante i periodi piovosi e nei periodi intermedi (Childs and Bybordi, 1969, Smith et al., 1993). In accordo con i processi descritti, la generazione del deflusso `e possibile attraverso 4 differenti meccanismi: eccesso d’acqua per saturazione, eccesso d’acqua da infiltrazione, flusso proveniente dalla percolazione nello strato sub-superficiale ed exfiltrazione dalla falda;
• Il processo di routing `e suddiviso in due parti: routing idrologico non lineare nei versanti; onda cinematica e modellizzazione del trasporto e della dispersione nei canali.
I parametri del modello possono essere divisi in tre gruppi:
• Routing (parametri uniformi nello spazio); • Suolo (parametri variabili nello spazio); • Vegetazione (parametri variabili nello spazio).
Figura 6.2: Schematizzazione dei processi idrologici rappresentati nel tRIBS (Ivanov et al.,
2004a,b).
Gli input del tRIBS sono:
• Mappa del modello digitale del terreno in formato TIN ; • Mappa dei suoli in formato GRID;
• Mappe uso suolo in formato GRID;
• Profondit`a del substrato roccioso in formato GRID o costante nello spazio; • Altezza iniziale della tavola d’acqua in formato GRID;
• Dati di precipitazione in formato GRID (dati da radar o modello meteorologico) oppure dati puntuali in specifiche posizioni spaziali (pluviografi);
• Dati meteorologici (pressione atmosferica, umidit`a relativa, etc..) in specifiche posizioni spaziali.
Le mappe in formato GRID possono essere fornite a diverse risoluzioni spaziali, in quanto il modello prima dell’esecuzione, esegue un preprocessing con l’interpolazione spaziale sulla maglia di calcolo. La precipitazione e i dati meteorologici vengono forniti a specifiche risoluzioni temporali (tipicamente a scala oraria); nel presente lavoro la precipitazione ai pluviografi `e stata fornita a scala temporale di un quarto d’ora, ed `e tra i primi casi in cui il modello viene testato in modo intensivo a scala inferiore all’ora. Per una descrizione dettagliata dei processi fisici simulati dal modello si pu`o fare riferimento adIvanov et al.(2004a,b) oltre alle pubblicazioni gi`a citate, mentre per il suo utilizzo e la preparazione di un caso studio si pu`o utilizzare il materiale presente al sito http://vivoni.asu.edu/tribs.html.
Il modello pu`o determinare l’evapotraspirazione potenziale direttamente a partire dai dati me- teorologici (umidit`a relativa, radiazione solare, etc.) attraverso le formule di Penman-Monteith, Deardorff o Priestly-Taylor, oppure pu`o accettare in input direttamente i dati di evapotraspi- razione potenziale che vengono poi convertiti in evapotraspirazione reale sulla base dello stato di umidit`a dei suoli.
Il modello `e in grado di fornire vari tipi di output, ad esempio:
1. Serie temporali di portata e livelli in alveo, alla sezione terminale o in punti interni del reticolo idrografico;
2. Serie temporali di differenti variabili idrologiche (profondit`a della falda, umidit`a del suolo al di sopra della falda, umidit`a relativa, etc.) in definiti nodi del TIN oppure mediate spazialmente sul dominio;
3. Mappe spaziali di differenti variabili idrologiche (deflusso superficiale, profondit`a del fronte umido, massima intensit`a di precipitazione, etc.) a precisi istanti o integrati nei periodi simulazione.
Il tRIBS `e stato utilizzato ad oggi in diverse configurazioni e a diversi scopi tra cui: simulazioni continue attraverso l’uso di campi NEXRAD (Ivanov et al., 2004a,b); simulazioni ad evento per la modellazione di idrogrammi con l’utilizzo di campi radar previsti in nowcasting (Vivoni et al., 2006); studio della risposta idrologica a campi di precipitazione ottenuti con differenti tecniche di downscaling (Forman et al.,2008,Mascaro et al.,2010); simulazioni continue di scenari per la valutazione del cambiamento climatico (Liuzzo et al.,2009,Piras,2014).
Recentemente il codice del modello `e stato modificato per il funzionamento in parallelo, in modo da poter sfruttare le risorse delle piattaforme multiprocessore.